試論公路路線設(shè)計(jì)可靠性探討

摘 要：公路的興建有利于地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有利于改善沿線居民的生活質(zhì)量，能快速的為人們提供運(yùn)輸?shù)葍?yōu)越性，具有很好的發(fā)展前景， 路線設(shè)計(jì)是公路工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和靈魂。本文結(jié)合公路實(shí)際情況，對(duì)公路的路線設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討，希望把公路設(shè)計(jì)工作做得更好。

關(guān)鍵詞：公路路線設(shè)計(jì)；安全性；可靠性

引 言：公路線形設(shè)計(jì)是公路設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)應(yīng)保證車(chē)輛行駛的安全舒適，駕駛員的視覺(jué)和心理反應(yīng)，引導(dǎo)駕駛員的視線，保持線形的連續(xù)性，使駕駛員有足夠的舒適感和安全感。公路線形質(zhì)量的好壞，直接影響公路運(yùn)營(yíng)的安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、快捷以及正常功能的發(fā)揮。

公路的路線定線是公路設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一步，因?yàn)槁肪€線形是一條公路的骨架，線形是否合理，將直接影響到公路的橋隧、人工構(gòu)造物、路基、路面等的設(shè)計(jì)，也是控制工程造價(jià)的主要因素，同時(shí)在公路建成后，如果再要改變線形，一般也是非常困難的。尤其是高等級(jí)公路的路線，一經(jīng)建成將長(zhǎng)期制約著公路的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的發(fā)揮。所以，有的國(guó)家提出公路路線是公路的生命，它對(duì)汽車(chē)行駛的舒適、安全、經(jīng)濟(jì)和道路的通行能力，都起著決定性的作用和影響。

1 公路路線設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于公路路線設(shè)計(jì)的理論已經(jīng)從單純考慮汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)要求，逐漸注重考慮駕駛員的生理心理特征，提倡以人為本的設(shè)計(jì)理念，注重線形設(shè)計(jì)后使用上的舒適性，并在開(kāi)展設(shè)計(jì)的安全性、連續(xù)性、一致性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了研究。我國(guó)的路線方案基本上是采取傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)以及工程技術(shù)方面比較方案優(yōu)劣，存在的主要問(wèn)題是忽視了環(huán)境、社會(huì)等方面的影響，不能全面反映線路的科學(xué)性和合理性，經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)的方案未必是最優(yōu)方案。

2 公路路線分析方法

公路路線優(yōu)化問(wèn)題具有設(shè)計(jì)目標(biāo)不可公度性和目標(biāo)間的矛盾性兩大特點(diǎn)，設(shè)計(jì)目標(biāo)的不可公度性是指各個(gè)目標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，很難加以比較。線性設(shè)計(jì)目標(biāo)間的矛盾性是指如果采用某種方案去改進(jìn)或改變某一目標(biāo)值，可能會(huì)使另一目標(biāo)的最優(yōu)值變好或變壞。

2.1 可靠性研究分析

可靠度理論在公路線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用很早就已經(jīng)開(kāi)始研究，而我國(guó)將可靠度理論應(yīng)用在公路路線設(shè)計(jì)方面研究還未全面開(kāi)展。可靠度理論在一些領(lǐng)域特別是結(jié)構(gòu)工程和巖土工程學(xué)中應(yīng)用較廣泛，同時(shí)在運(yùn)輸工程學(xué)領(lǐng)域也有研究，如公路排水管道設(shè)計(jì)、交通信號(hào)燈間隔時(shí)間可靠性分析，信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)等?？煽慷壤碚撌且愿怕收摓榛A(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，用概率來(lái)描述工程結(jié)構(gòu)可靠性的問(wèn)題。

公路路線設(shè)計(jì)可靠性分析中，主要目的是根據(jù)路線設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下功能函數(shù)計(jì)算可靠指標(biāo)β、失效概率Pf等。路線設(shè)計(jì)功能函數(shù)是用公路供給值和駕駛期望值來(lái)表示。假定公路供給設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)變量為S，駕駛期望設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)變量為D，其相應(yīng)的概率密度函數(shù)為f S（s）和fD（d），且S與D相互獨(dú)立，則功能函數(shù)Z表示為：

Z=g（S，D）=S-D

對(duì)于路線設(shè)計(jì)的各個(gè)極限狀態(tài)方程：當(dāng) Z=0時(shí)，該路線設(shè)計(jì)參數(shù)處于極限狀態(tài)；當(dāng)Z>0時(shí)，該路線設(shè)計(jì)參數(shù)滿足功能要求；當(dāng)Z<0時(shí)，路線設(shè)計(jì)參數(shù)不滿足功能要求，即為失效。其設(shè)計(jì)參數(shù)失效概率為：

假定隨機(jī)變量S和D均服從正態(tài)分布，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為US，UD和O-S，O-D，則功能函數(shù)Z=S—D也服從正態(tài)分布：其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為UZ=US-UD及和 ，失效概率：

對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換 ，令，可得 ：

式中，為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，現(xiàn)引入符號(hào)β，并令，則得：，式中：β為一量綱的系數(shù)，稱為可靠指標(biāo)，可靠指標(biāo)β的表達(dá)式為：

2.2 系統(tǒng)分析法

將路線設(shè)計(jì)成果進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以對(duì)設(shè)計(jì)成果及環(huán)境約束情況作出定量或定性的評(píng)價(jià)，指出存在的問(wèn)題和改進(jìn)的方案，從而達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分析法包括五個(gè)要素：目標(biāo)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、分析評(píng)價(jià)、優(yōu)化決策。

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定：公路路線設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)公路的平、縱、橫三個(gè)面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，做到平面順適、縱面均衡、橫面合理；公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范是公路設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是評(píng)價(jià)公路路線設(shè)計(jì)可靠性質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，其表現(xiàn)為一系列規(guī)范條文，這些規(guī)范條文既有原則性的。也有針對(duì)各個(gè)細(xì)部的，所有規(guī)范條文構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，包括路線設(shè)計(jì)成果及公路環(huán)境約束的數(shù)據(jù)。公路設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)為主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)采用值，環(huán)境約束狀況則包括地形、地質(zhì)、水文情況等。將公路設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，將公路環(huán)境約束與設(shè)計(jì)現(xiàn)狀比對(duì)，分析路線設(shè)計(jì)的合理性，論證需要加以改進(jìn)的，基本合理但仍有改進(jìn)余地的，基本達(dá)到技術(shù)要求而不滿足經(jīng)濟(jì)要求的，滿足經(jīng)濟(jì)要求而實(shí)際技術(shù)指標(biāo)不太理想的；對(duì)公路分析評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行合并、歸類，找出重點(diǎn).提出科學(xué)合理的優(yōu)化方法，并付諸實(shí)施，同時(shí)對(duì)公路優(yōu)化后的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析與優(yōu)化。

系統(tǒng)分析法的要點(diǎn)包括：系統(tǒng)與定量，系統(tǒng)分析法的形式可以多種多樣，按系統(tǒng)與定量的原則來(lái)要求，系統(tǒng)要求全面、清晰，定量要求書(shū)面化的數(shù)據(jù)成果。系統(tǒng)分析法評(píng)價(jià)公路線形設(shè)計(jì)質(zhì)量，工作量相對(duì)較小，且定量分析的結(jié)果清晰明了。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)情況下，在路線設(shè)計(jì)中推廣系統(tǒng)分析法。有效地提高路線設(shè)計(jì)質(zhì)量，合理地減少工程量，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2.3 路線智能優(yōu)化法

智能優(yōu)化法是基于空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和多目標(biāo)遺傳算法求解路線方案Pareto最優(yōu)解集的公路路線智能優(yōu)化模型，獲得協(xié)調(diào)各設(shè)計(jì)目標(biāo)的路線方案，作為交互式公路路線CAD系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案，從而提高公路路線計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力水平和設(shè)計(jì)層次，提高公路路線設(shè)計(jì)智能輔助決策能力。

公路路線設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程必須從公路原始空間數(shù)據(jù)庫(kù)中真實(shí)及時(shí)地提取、分析與公路路線相關(guān)的空間數(shù)據(jù)，為公路路線目標(biāo)函數(shù)計(jì)算提供數(shù)據(jù)資料依據(jù)；按所需空間數(shù)據(jù)的屬性和查詢方法，路線設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)挖掘方法可分為點(diǎn)數(shù)據(jù)挖掘、線數(shù)據(jù)挖掘、面數(shù)據(jù)挖掘。公路是敷設(shè)于自然界的人工構(gòu)造物。所經(jīng)區(qū)域的地面高程決定了路線的位置、工程量等因素，是公路路線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵信息。通過(guò)GIS的空間分析模塊，利用數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）可獲得路線地區(qū)任一點(diǎn)的地面高程，由于公路路線設(shè)計(jì)需要縱斷面地面線和橫斷面地面線，所以必須將公路路線設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)與GIS空間分析相結(jié)合，以獲得所需地理地質(zhì)和公路區(qū)域的有效信息。公路路線在布設(shè)時(shí)，不可避免地要與其他公路、鐵路、河流等相交，通過(guò)GIS的拓?fù)潢P(guān)系查詢，獲取公路與線狀構(gòu)造物的拓?fù)潢P(guān)系，合理地確定立體交叉或平面交叉的類型。而通過(guò)分析路線所交河流的寬度、流量等信息，則可以合理確定擬建橋涵的跨徑，從而為公路路線方案優(yōu)化提供充分的信息。面數(shù)據(jù)挖掘方式，為公路路線挖掘面域信息，為路線設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

建立公路路線智能優(yōu)化系統(tǒng)模型，有利于解決路線優(yōu)化過(guò)程中模糊性、不確定性問(wèn)題，為公路路線的設(shè)計(jì)提供科學(xué)和有效的依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

從公路路線設(shè)計(jì)工作中存在的問(wèn)題出發(fā)，提出了一些解決方法。這樣做才能省工、省時(shí)還能有效節(jié)約資源，降低建設(shè)費(fèi)用，希望本文提出的方法能對(duì)以后的公路路線設(shè)計(jì)起到一定的作用。

參考文獻(xiàn)：

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